Muscoli artificiali per i robot del futuro

I robot diventano ogni giorno più intelligenti, ma spesso i loro corpi sono ancora maldestri e difficili da manovrare. L'ingegnere meccanico Christoph Keplinger sta progettando una nuova generazione di robot "morbidi" e flessibili, prendendo ispirazione da uno dei capolavori dell'evoluzione: il tessuto muscolare biologico. Osserviamo questi "muscoli artificiali" espandersi e contrarsi come quelli reali, raggiungere velocità sovrumane -- e scopriamo come potrebbero un giorno azionare arti prostetici più forti ed efficienti di quelli umani.

Nel 2015, 25 team
provenienti da tutto il mondo

si sono sfidati nella costruzione
di robot di salvataggio

capaci di svolgere diversi compiti,

come utilizzare uno strumento,

passare su terreni accidentati

e guidare una macchina.

Un'impresa sicuramente notevole,

ma osservate il corpo
del robot vincitore, HUBO.

Qui lo vedete mentre cerca
di scendere da una macchina,

e tenete in considerazione

che il video è al triplo della velocità.

(Risate)

HUBO, del team coreano KAIST,
è un robot all'avanguardia,

dotato di capacità straordinarie,

ma il suo corpo è poi così diverso

da quello dei robot
di qualche decennio fa.

Se osservate gli altri robot in gara,

anche i loro movimenti
ci appaiono molto robotici.

I loro corpi sono
strutture meccaniche complesse

basate su materiali rigidi,

come il metallo o i tradizionali
motori elettrici rigidi.

Non sono stati progettati

per essere low-cost,
sicuri per il pubblico,

e capaci di rispondere
a circostanze impreviste.

I cervelli robotici hanno fatto
enormi progressi,

ma i loro corpi sono ancora
allo stato primitivo.

Questa è mia figlia Nadia.

Ha solo cinque anni

ma è molto più veloce di HUBO
a scendere da una macchina.

(Risate)

È anche molto brava
a dondolarsi sulle sbarre,

molto più brava di qualunque
robot umanoide odierno.

Al contrario di HUBO,

il corpo umano fa ampio uso
di materiali morbidi e deformabili,

come i muscoli e la pelle.

Sono necessari corpi robotici
di nuova generazione

che si ispirino all'eleganza,
all'efficienza e ai materiali morbidi

che vediamo utilizzati in natura.

Questa è diventata l'idea chiave
di una nuova branca della ricerca

chiamata "robotica morbida".

Con il mio gruppo di ricerca
e i nostri collaboratori

utilizziamo componenti morbide
ispirate ai muscoli e alla pelle

per costruire robot che possiedano
agilità e destrezza

sempre più simili

alle incredibili capacità
degli organismi che troviamo in natura.

I muscoli sono sempre stati
fonte di grande ispirazione per me.

Niente di strano in questo.

Sono austriaco, e il mio accento
è lo stesso di Arnie, Terminator.

(Risate)

Il tessuto muscolare biologico
è un vero capolavoro evolutivo.

Può rigenerarsi se danneggiato

ed è in costante scambio
con i neuroni sensoriali

sugli stimoli motori e ambientali.

Può contrarsi tanto velocemente
da sostenere il battito d'ali

di un colibrì;

può essere tanto forte
da muovere un elefante;

ed è ciò che rende
tanto versatili e malleabili i tentacoli

di un polipo,

un animale che può restringersi tanto
da passare in un piccolo foro.

Gli attuatori sono per i robot
quello che i muscoli sono per gli animali:

componenti essenziali del corpo

che permettono il movimento
e l'interazione con il mondo esterno.

Se potessimo costruire attuatori morbidi,

o muscoli artificiali,

che siano versatili, flessibili

e con le stesse prestazioni
di quelli reali,

potremmo costruire
quasi ogni tipo di robot

per quasi ogni tipo di compito.

Non a caso, sono ormai decenni
che si cerca il modo

di ricreare le incredibili
capacità dei muscoli,

ma non è un'impresa facile.

Circa 10 anni fa,

quando ho conseguito
il dottorato in Austria,

io e i miei colleghi abbiamo riscoperto

quella che è probabilmente la prima
pubblicazione sui muscoli artificiali,

datata 1880.

"Sui mutamenti di forma e di volume
dei corpi dielettrici

causati dall'elettricità",

pubblicato dal fisico tedesco
Wilhelm Röntgen.

Molti di voi lo conosceranno
come lo scopritore dei raggi X.

Seguendo le sue istruzioni,
abbiamo preso un paio di aghi.

Li abbiamo connessi all'alta tensione

e avvicinati a un foglio
di gomma trasparente

disteso su un'armatura di plastica.

Azionando la corrente

la gomma si deforma,

e proprio come i bicipiti
fanno flettere le nostre braccia,

la gomma fa flettere
l'armatura di plastica.

Sembra un trucco di magia.

Gli aghi non toccano mai la gomma.

L'uso di questi aghi
non è un sistema pratico

per azionare i muscoli artificiali,

ma questo bellissimo esperimento
ha stimolato la mia curiosità.

Volevo inventare nuovi modi
di costruire muscoli artificiali

che avessero delle applicazioni pratiche.

Negli anni seguenti ho lavorato
a diverse nuove tecnologie,

tutte promettenti,

ma tutte con ostacoli persistenti,
difficili da superare.

Nel 2015,

nel mio nuovo laboratorio alla CU Boulder,

ho voluto provare
qualcosa di totalmente nuovo.

Volevo combinare
la velocità e l'efficienza

degli attuatori elettrici

con la versatilità degli attuatori morbidi
a sistema fluido.

Perciò ho pensato,

forse posso trovare un modo nuovo
di utilizzare vecchie scoperte.

Il diagramma che vedete

mostra un effetto chiamato
"stress di Maxwell".

Se prendete due lastre di metallo,

le mettete in un contenitore con dell'olio

e le fate attraversare dalla corrente,

lo stress di Maxwell fa sì che l'olio
tra le due lastre salga,

proprio come vedete qui.

L'idea di base era,

possiamo sfruttare questo effetto
per spingere dell'olio

all'interno di strutture
morbide e malleabili?

La cosa ebbe un successo sorprendente,

molto più di quanto mi aspettassi,
a dire il vero.

Insieme al mio eccezionale
gruppo di studenti,

siamo partiti da questa idea

per sviluppare una nuova tecnologia
chiamata "muscoli artificiali HASEL".

Gli HASEL possono essere tanto delicati
da raccogliere una fragola

senza danneggiarla.

Possono espandersi e contrarsi
come dei veri muscoli.

E possono essere azionati
più velocemente di quelli reali.

Possono essere potenziati
fino a produrre forze notevoli.

Qui li vedete sollevare
quattro litri di acqua.

Possono azionare un braccio robotico,

e possono anche rilevare
la propria posizione.

Gli HASEL possono eseguire
movimenti molto precisi,

ma anche movimenti fluidi,
simili a quelli muscolari,

e moti esplosivi capaci
di lanciare una pallina in aria.

Una volta immersi nell'olio,

i muscoli artificiali HASEL
sono completamente invisibili.

Come funzionano i muscoli HASEL?

La cosa potrà sorprendervi,

ma si basano su materiali
poco costosi e facilmente reperibili.

Vi consiglio anzi di tentare

questo esperimento casalingo.

Riempite di olio d'oliva
alcune buste per alimenti.

Cercate di evitare le bolle d'aria.

Ora appoggiate una lastra di vetro
a un lato della busta.

Se la premete, vedrete
che la busta si contrae.

L'intensità della contrazione
non è difficile da controllare.

A un peso leggero
corrisponde una contrazione minima.

Se usate un peso medio,
ottenete una media contrazione.

E con un grosso peso
ottenete una grande contrazione.

Con gli HASEL, l'unica differenza
è che alla pressione della vostra mano

o del peso, si sostituisce
una forza elettrica.

HASEL sta per "Attuatori Elettrostatici
Autoriparanti a Amplificazione Idraulica".

Qui vedete lo schema di quello
che chiamiamo Attuatore Peano-HASEL,

uno dei molti design possibili.

Anche qui usiamo un polimero flessibile,
come la nostra busta per alimenti,

riempito di liquido isolante,
come l'olio d'oliva,

ma al posto della lastra di vetro

applichiamo un conduttore elettrico
a un lato della tasca.

Per renderlo ancora più simile
alle fibre muscolari,

possiamo unire insieme più tasche

e applicare un peso all'estremità.

Ora azioniamo la corrente.

Il campo elettrico inizia
ad agire sul liquido.

Il liquido viene trasferito,

cosa che costringe il muscolo a contrarsi.

Qui vedete un attuatore
Peano-HASEL in funzione,

e il modo in cui si espande e contrae
quando applichiamo una corrente.

Osservando di lato,

potete vedere come le tasche assumano
una forma cilindrica,

proprio come le nostre buste per alimenti.

Possiamo anche saldare tra loro
alcune di queste fibre muscolari

e renderle ancora più simili
a un vero muscolo

che si contrae ed espande
anche trasversalmente.

Gli HASEL che vedete stanno sollevando
un carico 200 volte superiore

al loro peso.

Qui vedete uno dei nostri progetti
più recenti, lo HASEL a ciambella,

mentre si contrae ed espande.

Possono raggiungere velocità estreme,
superiori a quelle umane.

Sono tanto potenti
da poter addirittura saltare.

(Risate)

In definitiva, HASEL potrebbe essere
la prima tecnologia

capace di superare le performance
dei muscoli biologici

compatibile con una produzione
su larga scala.

Inoltre è una tecnologia giovane.
Siamo solo agli inizi.

Abbiamo molte idee su come
migliorare le prestazioni,

con nuovi materiali e progetti,
per raggiungere livelli di performance

superiori al muscolo biologico
e anche al motore elettrico rigido.

Come esempio di un design più complesso
di bio-robotica con HASEL,

qui vedete uno scorpione artificiale

che usa la coda per cacciare,

in questo caso un palloncino.

(Risate)

Tornando alla nostra ispirazione iniziale,

la versatilità di tentacoli e proboscidi,

ora siamo in grado di creare
attuatori a continuum fluido,

che si avvicinano sempre di più
alle capacità dei modelli reali.

Quello che mi entusiasma di più
sono le applicazioni pratiche

dei muscoli artificiali HASEL.

Permettono la costruzione
di dispositivi morbidi,

capaci di migliorare
la vita delle persone.

La robotica morbida renderà possibile
la creazione di protesi più naturali

per le persone che hanno
subito amputazioni.

Questi sono HASEL del mio laboratorio

che azionano un prototipo
di dito artificiale.

Un giorno potremo forse fondere
componenti robotiche con i nostri corpi.

So che a un primo impatto
può sembrare spaventoso.

Ma poi penso ai miei nonni

e a come sono diventati
sempre più dipendenti dagli altri

nello svolgere le azioni più semplici,
come andare in bagno da soli,

e al fatto che sentono
di essere diventati un peso.

Con la robotica morbida, saremo in grado
di aumentare e restituire

agilità e destrezza,

aiutando le persone
a mantenersi indipendenti

fino in età avanzata.

Potremmo chiamarla "robotica anti-età",

o anche un nuovo stadio
dell'evoluzione umana.

Al contrario delle loro
controparti rigide,

i robot morbidi potranno operare in piena
sicurezza nelle case e tra le persone.

La robotica morbida è un settore giovane.
Siamo solo agli inizi.

Spero che moltissimi giovani
dai settori più svariati

si uniscano a noi in questo viaggio

e ci aiutino a plasmare
la robotica del futuro

presentando idee nuove
ispirate ai modelli naturali.

Se ci riusciremo,

miglioreremo la qualità della vita

di tutti noi.

Grazie.

(Applausi)